皮質(zhì)醇（CORT）又稱壓力激素，是壓力應(yīng)激中的重要生物標(biāo)志物，參與調(diào)節(jié)碳水化合物代謝、調(diào)節(jié)血壓、促進(jìn)糖異生等，其異常分泌破壞心血管、免疫系統(tǒng)、腎臟、骨骼和內(nèi)分泌系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致全身性代謝紊亂和慢性疾病。

近日，北京理工大學(xué)的研究人員報(bào)道了一種銪金屬-有機(jī)骨架微針（Eu-MOF@PAH MN）傳感器，這種傳感器集成微針的高效采樣和Eu-MOF的光學(xué)傳感特性，為壓力激素的在體檢測和即時(shí)分析提供一種無痛微創(chuàng)、便捷高效的可視化微針檢測平臺(tái)。相關(guān)工作以“Lab on the Microneedles: A Wearable Metal-organic Frameworks-Based Sensor for Visual Monitoring of Stress Hormone”為題發(fā)表在《ACS Nano》期刊上。

圖1 微針貼片制備及應(yīng)用示意圖

首先，研究人員以Eu3?為中心金屬，H?BTB為配體，通過溶劑熱法構(gòu)筑Eu-MOF，并對其結(jié)構(gòu)、性能和CORT響應(yīng)能力進(jìn)行詳細(xì)研究。同時(shí)，使用氨基酸、蛋白質(zhì)、葡萄糖、鹽離子等潛在的干擾分子考察其選擇特異性，評估Eu-MOF在復(fù)雜生物樣本中的應(yīng)用潛力。

圖2 Eu-MOF的合成及表征

此外，研究人員通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，結(jié)合Eu-MOF與CORT傳感前后的熒光特性分析，深入探究并闡明了Eu-MOF對CORT的傳感機(jī)理，即CORT在強(qiáng)相互作用下通過物理吸附附著于Eu-MOF表面，形成了不發(fā)光的Eu-MOF-CORT復(fù)合物，從而導(dǎo)致靜態(tài)熒光淬滅，證實(shí)其在CORT的可視化檢測方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖3 CORT的響應(yīng)特性及機(jī)制研究

隨后，研究人員將具有CORT選擇性識(shí)別特性的Eu-MOF負(fù)載至凝膠微針中，通過光固化法制得Eu-MOF@PAH MN（圖4）。該微針貼片能承受15 N的正應(yīng)力，具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可有效刺入模擬皮膚和小鼠皮膚組織。其優(yōu)異的溶脹性能（溶脹率超過150%）和低溶出率（24 h低于0.1%）確保微針在刺入皮膚組織后能夠快速實(shí)現(xiàn)ISF采樣以及目標(biāo)分析物捕獲和傳感檢測。

圖4 Eu-MOF@PAH MNs的制備和表征

體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該微針在模擬皮膚和小鼠皮膚中呈現(xiàn)出優(yōu)異的采樣能力和采樣效率，10 min即可達(dá)到CORT的最佳檢測效果?？蓪?shí)現(xiàn)10??~10?3M寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)CORT的有效檢測，檢測限可達(dá)10??M，表明Eu-MOF@PAH MN對CORT具有極高對的檢測靈敏度，可覆蓋人體正常生理和病理狀態(tài)下的檢測范圍。更重要的是，不同批次的Eu-MOF@PAH MN與CORT的作用效果相同。并且，微針在靜置一周后對CORT的響應(yīng)性一致，證明該微針具有良好的穩(wěn)定性。

圖5 ISF中CORT的體外檢測

基于上述研究發(fā)現(xiàn)，研究人員進(jìn)一步構(gòu)建急性應(yīng)激模型驗(yàn)證了Eu-MOF@PAH微針傳感的高靈敏度和高選擇性，可以有效區(qū)分靜息狀態(tài)（200.98±17.67 ng/mL）和應(yīng)激狀態(tài)（294.38±32.15 ng/mL）的CORT水平，組織學(xué)分析結(jié)果表明微針貼片具有良好的生物安全性。

圖6 在急性應(yīng)激模型中使用Eu-MOF@PAH MNs檢測體內(nèi)CORT及生物安全性評估

總之，本研究成功開發(fā)了一種高靈敏度、高選擇性和良好生物安全性的集成式微針傳感器，可實(shí)現(xiàn)體內(nèi)CORT的即時(shí)檢測，并闡明了CORT誘導(dǎo)Eu-MOF熒光淬滅的傳感機(jī)理。未來，結(jié)合便攜式成像設(shè)備和智能手機(jī)，該策略可有效推動(dòng)床旁、居家監(jiān)測技術(shù)發(fā)展，在壓力激素異常分泌的早期預(yù)警中具有巨大的應(yīng)用潛力和臨床轉(zhuǎn)化能力。

審核編輯：彭菁